TWI514627B - 發光二極體的光電化學（ｐｅｃ）偏壓技術 - Google Patents
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Description
本發明係關於形成發光二極體(LED)，且特定而言係關於一種用於在電化學蝕刻期間對曝露之LED層加電偏壓的方法。
典型覆晶LED在該LED之底表面上具有反射性p接點及n接點，且該等接點直接連接至一子基板上之接合襯墊。由該LED產生之光主要發射穿過該LED表面之頂表面。以此方式，不存在阻隔光之頂部接點，且不需要線接合。
在製造期間，將一子基板晶圓佈滿一陣列之LED晶粒，且將該等LED晶粒作為一批在該晶圓上進行進一步處理。最終，藉由(例如)鋸切來單粒化該晶圓。
可藉由在已磊晶生長所有LED層之後移除透明藍寶石生長基板來增加覆晶氮化鎵(GaN)LED的效率。在移除該基板之後，蝕刻曝露之GaN層以薄化該層並產生粗化表面來增加光提取。用於該曝露之層之良好蝕刻技術係光電化學(PEC)蝕刻，其涉及：對待蝕刻之層加電偏壓；將LED浸沒於含有偏壓電極之鹼溶液(例如，KOH)中；及將UV光施加至該曝露之層。曝露於該UV光在半導體層中產生了電子-電洞對。電洞在電場之影響下遷移至GaN層之表面，接著在該表面處與GaN及鹼溶液反應以破壞GaN鍵結。該曝露之層通常為N型限制層或該N型層上之半絕緣層(例如，緩衝層)。
用於對曝露之N型LED層加偏壓的一種可能方法係在子基板晶圓上提供接地金屬圖案，該金屬圖案連接至該晶圓上之所有N金屬接合襯墊，因此在PEC蝕刻期間對曝露之N型層加電偏壓。在PEC蝕刻之後，當鋸切該子基板晶圓以分割該等LED時，偏壓金屬圖案得以切割，因此對每一單粒化之LED的後續操作無影響。
申請人已發現，使用子基板上之互連金屬來加偏壓之一個問題為在鋸切該子基板晶圓以用於分割之後，連接至N金屬之跡線曝露於側壁上。此減少了在作用中N電極與背側上之接地襯墊之間的爬電距離(creepage distance)。此限制了在爬電可在N金屬與接地之間發生之前可串聯連接之LED的最大數目。
此外，經鋸切之金屬可在鋸切期間沿子基板晶粒之側壁遭到污染且形成跨越子基板邊緣或側面或至另一引線的漏電路徑。互連金屬之另一問題在於，除非在單切之前切割了金屬，否則不能測試LED串。此添加了製程步驟。另外，當在單一晶粒中形成多個微型LED時，N層不能與可鋸切之互連金屬互連。
需要一種在PEC蝕刻期間對安裝於子基板晶圓上之LED的曝露之層加偏壓的有效技術，該技術不具有上文描述之金屬互連件的缺點。
描述一種晶圓級製程，其使用PEC蝕刻來同時蝕刻安裝於單一子基板晶圓上之任何數目的LED。
儘管本發明在實例中係使用覆晶LED進行描述，但任何類型之LED(諸如，具有一或多個頂部線接合電極之LED)可使用本發明。
最初，在一藍寶石基板上形成LED。單粒化該等LED且將其安裝於一子基板晶圓上。該子基板晶圓具有用於接合至覆晶LED之N(陰極)及P(陽極)電極的金屬襯墊。該等金屬襯墊延伸至待最終連接至一電源的終端。
接著(諸如)藉由使用雷射剝離製程自每一LED晶粒移除藍寶石基板。接著使用PEC蝕刻製程蝕刻所有LED之曝露之層(假設為N型)以用於薄化及粗化來增加光提取。替代直接連接至用於在PEC蝕刻期間對該等LED之所有N型層加偏壓的子基板晶圓之全部N金屬之金屬互連件，接近N金屬(諸如，與N金屬間隔50微米)在該子基板晶圓上形成一金屬圖案。該金屬圖案與N金屬電隔離，因此不影響該等LED之操作。然而，當將該子基板晶圓浸沒於KOH溶液中以用於PEC蝕刻且在PEC蝕刻製程期間將該金屬圖案接地(加偏壓)時，KOH溶液之相對低的電阻率(例如，0.016歐姆‧公尺)實際上將該金屬圖案短路至N金屬以用於將所有LED之N型層加偏壓至接地。可使用其他偏壓電壓。
在該PEC蝕刻製程之後，該金屬圖案對該等LED之操作無影響，此係因為該金屬圖案與該子基板晶圓上之N金屬電隔離。因此，該子基板不遭受因鋸切穿過連接至子基板之N金屬之先前技術金屬互連件而招致的缺點中之任一者。因為本發明之金屬圖案與LED電隔離，所以可測試晶圓上之若干串串聯連接之LED。
在另一實施例中，P層為發光層，且在使用本發明之技術對該P層加偏壓之同時使用PEC蝕刻來蝕刻該P層。
在另一實施例中，該蝕刻可為不使用UV之電化學(EC)蝕刻而非PEC蝕刻。PEC蝕刻係電化學蝕刻之一子集。
可將該製程之若干態樣應用於並非基於GaN之LED，諸如AlGaAs LED及AlInGaP LED。
相同或等效之元件以相同數字標記。
圖1說明佈滿了一陣列之LED晶粒12的子基板晶圓10。可存在數百個晶粒12接合至晶圓10。子基板基底材料可為陶瓷、矽、絕緣鋁或其他材料。
圖2係晶圓10上之四個鄰近LED區域的近視圖，其展示晶圓10表面上之N金屬14及P金屬16。金屬14/16形成用於接合至LED晶粒12之電極的襯墊。LED 12及金屬14/16可為任何大小。金屬14/16可為用於接合至LED晶粒12之底表面上之陰極與陽極Ni/Au電極的鍍有Ni/Au之銅。可藉由超音波熔接或其他方法將LED電極接合至金屬14/16。
金屬14/16可由延伸穿過晶圓10之通孔連接至晶圓10中之每一子基板的底部襯墊。在單粒化之後，可接著將底部襯墊表面黏著於印刷電路板上。
金屬圖案20形成得極其接近N金屬14(諸如50微米)以便為電絕緣的。間隙經選擇以使得在PEC蝕刻期間，KOH溶液(或其他電解質溶液)充當導體以將金屬圖案20短路至N金屬14以在PEC蝕刻期間對LED晶粒12之N層加偏壓。在一實施例中，KOH溶液(例如，使用4莫耳/公升之濃度)之電阻率為約0.016歐姆‧公尺。在典型實例中，此將導致跨越50微米之間隙小於1.4歐姆，假設間隙之寬度為11.56毫米且金屬化物之厚度為50微米[(0.016歐姆‧公尺×50微米間隙)/(11.56毫米×50微米厚度)=1.384歐姆]。該間隙可為10微米或10微米以下至幾百微米(例如，300)以便在乾燥環境中電隔離金屬圖案20與N金屬14，同時在PEC蝕刻期間提供足夠偏壓。沿間隙之相對邊緣的寬度及跡線厚度直接決定兩個金屬之間的導電。在PEC蝕刻期間存在極少電流，因此經由KOH溶液之任何電阻率不會顯著影響PEC製程。
金屬圖案20包括匯流排條22及24，其連接至偏壓電壓V，諸如接地或其他電壓。金屬圖案20可為任何寬度或厚度。
在PEC蝕刻之後，金屬圖案20變成隔離的，且在單粒化期間匯流排條22及24之鋸切不影響LED晶粒12之效能。
在另一實施例中，對不使用UV之電化學(EC)蝕刻執行偏壓以加速蝕刻製程。
圖3係沿圖2中之線3-3截取之LED晶粒12及子基板晶圓10的簡化且壓縮之橫截面圖。LED晶粒12係簡化的但大體上包含磊晶生長之半導體N型層26、半導體作用層28及半導體P型層30。對於覆晶而言，將P型層30及作用層28之部分蝕刻掉以曝露N型層26，且沈積N電極32以接觸N型層26。P電極34接觸P型層30。在一實施例中，該等LED為AlInGaN且發射藍光至琥珀光。
在一實施例中，該等半導體層係在藍寶石基板上磊晶生長。在LED晶粒12自LED晶圓單粒化且安裝於子基板晶圓10上之後(其中可選底填料沈積於LED晶粒12下方)，藉由(例如)雷射剝離移除藍寶石基板，此曝露了N型層26。N型層26可包含用於晶核生成、應力消除及包層之各種層。可接著使用各種方法中之任一者(包括PEC蝕刻)來薄化N型層26。PEC蝕刻可用於所有薄化，或可與其他方法組合以用於薄化N型層26。較佳的是，PEC蝕刻至少用於粗化N型層26之表面以獲得改良之光提取。
子基板晶圓10上已形成有用於在PEC蝕刻期間加偏壓之金屬14及16，以及金屬圖案20。圖3中之金屬圖案20示意性地展示為由表示圖2中之匯流排22的線36電連接至其他金屬圖案20。
金屬14及16由延伸穿過晶圓10之通孔42連接至底部陰極襯墊38及底部陽極襯墊40。
在PEC蝕刻中，電場產生於待蝕刻之表面與溶液之間以增加蝕刻速率且控制蝕刻速率。為了實現此加偏壓，LED晶粒12之N型層26經由金屬圖案20、KOH溶液及N金屬襯墊14耦接至接地(或其他合適的偏壓電壓)。
圖4係來自2003公開案之簡化曲線圖，其說明KOH溶液之電導率對其濃度。對於小於幾百微米之間隙而言，KOH溶液之電阻低得足以在金屬圖案20(圖2)與N金屬14之間提供足夠低之電橋以用於在PEC蝕刻期間對N型層26加偏壓。
如圖3中所展示，執行層26之曝露之表面的PEC蝕刻46。箭頭46亦表示導電溶液。可在PEC蝕刻期間完全蝕刻穿過層26以產生一多孔層。
為了執行PEC蝕刻，至少待蝕刻之層浸沒於電解質溶液中且藉由施加至金屬圖案20的電位來加偏壓。將具有正電位之電極浸沒於電解質溶液中以對鹼溶液加偏壓。合適之電解質溶液的實例為0.2 M至4 M之KOH，但亦可使用許多其他合適的電解質溶液，無論是鹼性溶液或是酸性溶液。所使用之溶液及其濃度取決於待蝕刻之材料的組份及所要表面紋理。層26之磊晶表面曝露於能量大於表面層之帶隙的光。在一實例中，使用波長為約365 nm及強度介於約10 mW/cm2
與約100 mW/cm2
之間的紫外光。曝露於光會在半導體層中產生電子-電洞對。電洞在電場之影響下遷移至GaN層之表面。電洞接著根據方程式2GaN+6OH-
+6e+
=2Ga(OH)3
+N2
在表面處與GaN及鹼溶液反應以破壞GaN鍵結。經由N型層26之電流可為每一1×1 mm2
之LED晶粒12約10 μA。PEC電壓應保持低於二極體崩潰電壓(例如，低於5伏特)。GaN層之PEC蝕刻的額外細節可見於John Epler之美國公開案第2006/0014310號及第2010/0006864號中，該等公開案讓與本受讓人且以引用之方式併入本文中。
層26之表面的所得粗化減少在LED結構內之內反射以增加提取效率。
關於形成LED晶粒及子基板晶圓的其他描述見於John Epler之美國公開案第2010/0006864號中，該公開案讓與本受讓人且以引用之方式併入本文中。
在蝕刻製程之後，磷光體可沈積於LED上以對光進行波長轉換。
圖5說明用於子基板晶圓上之單一LED晶粒的實際金屬襯墊配置，其展示用於在PEC蝕刻期間對LED晶粒之曝露之N型層加偏壓的N金屬14、P金屬16及金屬圖案20。在圖5中，50微米間隙為約11.56 mm長。
在已自KOH溶液移除晶圓10、將其沖洗及乾燥之後，可測試LED晶粒12而不必擔心金屬圖案20之影響。
圖6A說明在單一晶粒中形成之一串微型LED(或LED單元)的先前技術實例。可藉由渠溝來隔開單一晶粒，且金屬層串聯連接該等微型LED之陽極與陰極。在藉由子基板晶圓上之金屬跡線48來直接互連LED陰極以用於在PEC蝕刻期間對N型層加偏壓的先前技術的情況下，僅可測試該串微型LED中之最左微型LED 50，此係因為其他微型LED被跡線48短路。
圖6B說明根據本發明之一串微型LED的實例，其中該等微型LED之陰極在不處於電解質溶液中時與偏壓金屬圖案20電隔離。注意，金屬圖案20與N金屬14之指狀交叉而為經由KOH溶液實現之電接觸提供長的長度。由於微型LED之陰極未一起短路，因此可藉由在該串微型LED晶粒之終端54/55之間施加電流來執行該串微型LED晶粒的測試。
在LED晶粒12安裝於晶圓10上之前，可使用圖7中展示之偏壓互連件以Ni/Au電鍍晶圓10上的銅跡線(形成至少圖3中之金屬14、16、20、38及40)。
圖7示意性地說明用於對子基板晶圓10上之N金屬14及P金屬16加偏壓以用於電鍍金屬14及16以及用於稍後對N金屬14加偏壓以用於PEC蝕刻的偏壓技術。圖7中展示之金屬組態亦允許藉由將電流施加至特定列線及行線來獨立測試每一LED晶粒。所有N金屬14由N金屬行匯流排54及連接匯流排線56在子基板晶圓10之前表面上連接於一起。所有P金屬16藉由以P金屬列匯流排58及連接匯流排線57來互連子基板晶圓10之底表面上的陽極襯墊40(圖3)而連接於一起，連接匯流排線57最終短路至連接匯流排線56(諸如，藉由晶圓10之外部的互連件)。在金屬14及16以及子基板晶圓10之底表面上的襯墊的電鍍期間，匯流排線56及57連接至偏壓電壓，且晶圓10上之所有金屬以Ni/Au層來電鍍。
圖8說明鍍有Ni/Au層60之N金屬14及P金屬16的銅晶種層。亦電鍍了銅側壁，此係因為已圖案化晶種層。此加寬了用於與LED晶粒12之Ni/Au電極61接合的襯墊，從而改良了用於子基板10上之LED晶粒之置放的容限。
在不合乎需要之技術中，可在電鍍製程期間使用互連件之柵格將所有子基板10銅襯墊一起短路，其中將稍後在單粒化期間鋸切穿過該柵格。然而，若要在單粒化之前測試個別LED，將必須雷射切割連接件中之每一者。因此，對於具有8×8個襯墊之陣列，將存在至少64次雷射切割。此將耗時且添加費用。圖7之組態藉由以獨立之行互連N金屬14及以獨立之列連接P金屬16來解決此問題。由於N金屬14僅以四行連接至水平匯流排線56，因此僅需要在電鍍之後在點62處作四次雷射切割來隔離該等行。類似地，由於P金屬16僅以四列連接至匯流排(由於在外部，因此未展示)，因此僅需要在電鍍之後在點64處作四次雷射切割來隔離該等列。因此，僅需要八次雷射切割而非64次。差異隨著LED晶粒位置之數目增加而呈幾何級增加。
在電鍍子基板10襯墊之後，接著將LED晶粒安裝於子基板晶圓10上。在PEC蝕刻期間，對匯流排線56加偏壓(諸如，藉由將其連接至接地)，且藉由金屬圖案20將行匯流排54電連接至匯流排線56，金屬圖案20由低電阻率PEC蝕刻溶液短路至行匯流排54。此對LED之N型層加偏壓。金屬圖案20與行匯流排54指狀交叉以用於增加經由PEC蝕刻溶液實現之電耦合的寬度。
在PEC蝕刻之後，可藉由將行匯流排及列匯流排之組合連接至驅動電流來獨立定址及測試晶圓10上之個別LED。N金屬14及P金屬16之行互連件及列互連件仍允許個別地定址每一LED晶粒，此係因為行已藉由點62處之四次雷射切割而彼此隔離，且列已藉由點64處之另外四次雷射切割而彼此隔離。
在PEC蝕刻及任何進一步晶圓級處理(例如，模製透鏡、囊封、沈積磷光體等)之後，沿LED區域之邊界鋸切或切斷子基板晶圓10以單粒化LED。單粒化該等LED可切穿金屬圖案20，但該切穿對LED之效能無影響。亦切穿行匯流排54及列匯流排58以隔離N金屬14與P金屬16之襯墊。
因此，所揭示之製程藉由用於PEC蝕刻(或電化學蝕刻)之直接互連件來克服先前描述之缺點且使得能夠進行無法藉由習知互連件執行的測試，習知互連件需要在獨立製程步驟中切割該等互連件。
在本發明中，術語「子基板」意欲意謂用於至少一個LED晶粒之支撐件，其中該子基板上之電接點電連接至LED晶粒上的電極，且其中該子基板具有待連接以接收驅動電流之電極。
儘管已展示及描述本發明之特定實施例，但對於熟習此項技術者而言將明顯的是，可作出諸多改變及修改，而不會在本發明之較廣態樣中脫離本發明，且因此所附申請專利範圍將落入於本發明之真實精神及範疇內的所有此等改變及修改涵蓋於其範疇內。
10．．．晶圓
12．．．發光二極體(LED)晶粒
14．．．N金屬
16．．．P金屬
20．．．金屬圖案
22．．．匯流排條
24．．．匯流排條
26．．．半導體N型層
28．．．半導體作用層
30．．．半導體P型層
32．．．N電極
34．．．P電極
36．．．線
38．．．底部陰極襯墊
40．．．底部陽極襯墊
42．．．通孔
46．．．光電化學蝕刻
48．．．跡線
50．．．微型LED
54．．．微型LED晶粒之串的終端/行匯流排
55．．．微型LED晶粒之串的終端
56．．．連接匯流排線
57．．．連接匯流排線
58．．．列匯流排
60．．．Ni/Au層
61．．．Ni/Au電極
62．．．點
64．．．點
圖1說明佈滿了一陣列之LED晶粒的子基板晶圓。
圖2係根據本發明之一實施例的圖1之子基板晶圓上之四個LED區域的放大俯視圖，其展示偏壓金屬圖案。
圖3係根據本發明之一實施例的子基板晶圓上之兩個LED區域沿圖2之線3-3截取的簡化且壓縮之橫截面圖，其展示偏壓金屬圖案。
圖4係KOH溶液之莫耳電導率對濃度之先前技術曲線圖。
圖5係根據本發明之一實施例之子基板上的實際接合襯墊圖案以及PEC偏壓金屬的表示。
圖6A說明測試先前技術之一串LED時的問題，該等LED在位於子基板晶圓上時與偏壓金屬互連。
圖6B說明在使用本發明時，可測試子基板晶圓上的該串LED。
圖7係子基板晶圓上之金屬圖案的俯視圖，其說明使用本發明在將LED安裝於晶圓上之前可對P及N接觸襯墊加偏壓以用於電鍍、繼之以對LED加偏壓以用於PEC蝕刻的方式。
圖8係說明子基板上之電鍍襯墊的橫截面圖。
10．．．晶圓
12．．．發光二極體(LED)晶粒
14．．．N金屬
16．．．P金屬
20．．．金屬圖案
26．．．半導體N型層
28．．．半導體作用層
30．．．半導體P型層
32．．．N電極
34．．．P電極
36．．．線
38．．．底部陰極襯墊
40．．．底部陽極襯墊
42．．．通孔
46．．．光電化學蝕刻
Claims (15)
- 一種用於製造一發光二極體(LED)結構之方法，其包含：提供複數個LED，每一LED包含至少一第一半導體層，該第一半導體層經曝露且連接至每一LED之一第一電極；提供一子基板晶圓，其具有一第一金屬部分，該第一金屬部分電連接至每一LED之該第一電極以用於向每一LED提供一激勵電流，該子基板晶圓具有一第二金屬部分，該第二金屬部分接近該第一金屬部分但並不電連接至該第一金屬部分；將至少該第一半導體層浸沒於一溶液中以用於電化學(EC)蝕刻，該溶液具有將該第二金屬部分電連接至該第一金屬部分的一電導；及在該EC蝕刻期間藉由一第一偏壓電壓對該第二金屬部分加偏壓以對該第一半導體層加偏壓以用於蝕刻該第一半導體層。
- 如請求項1之方法，其中執行EC蝕刻包含：將至少該第一半導體層浸沒於一鹼溶液中；將UV光施加至該第一半導體層；及藉由一第二偏壓電壓對該鹼溶液加偏壓以在該鹼溶液與該第一半導體層之間產生一電場。
- 如請求項1之方法，其中該第一偏壓電壓係接地電位。
- 如請求項1之方法，其中該第二金屬部分與該第一金屬部分分離開約10微米至300微米之間的一間隙。
- 如請求項1之方法，其中該第二金屬部分與該第一金屬部分指狀交叉以用於增加經由該溶液實現之電接觸的一長度。
- 如請求項1之方法，其中該等LED中之至少一些串聯連接，該方法進一步包含藉由在串聯之該等LED之終端電極之間耦合一電流來測試串聯之該等LED。
- 如請求項1之方法，其中該複數個LED為覆晶。
- 如請求項1之方法，其進一步包含藉由蝕刻該第一半導體層來執行該PEC蝕刻以粗化該第一半導體層之一表面。
- 如請求項1之方法，其進一步包含單粒化該子基板晶圓，包括電隔離該第二金屬部分，該單粒化不切割該第一金屬部分之任何部分。
- 如請求項1之方法，其進一步包含：藉由經由一第一互連接器將一電鍍偏壓電壓耦合至該第一金屬部分而在浸沒之該步驟之前電鍍該第一金屬部分；及在浸沒之該步驟之前將該互連接器與該第一金屬部分切斷。
- 一種發光二極體(LED)結構，其包含：一LED，其包含至少一第一半導體層，該第一半導體層連接至該LED之一第一電極；及一子基板，其具有一第一金屬部分，該第一金屬部分電連接至該LED之該第一電極以用於向該LED提供一激勵電流，該子基板具有一第二金屬部分，該第二金屬部分延行沿著該第一金屬部分且接近該第一金屬部分但並不電連接至該第一金屬部分，該第二金屬部分與該LED電隔離，該第二金屬部分經組態以用於在該第一半導體層之一電化學(EC)蝕刻期間對該第一半導體層加偏壓，藉此用於該EC蝕刻之一溶液將該第二金屬部分電連接至該第一金屬部分以用於將一偏壓電壓耦合至該第一金屬部分。
- 如請求項11之結構，其中該第二金屬部分與該第一金屬部分指狀交叉。
- 如請求項11之結構，其中該第二金屬部分與該第一金屬部分分離開約10微米至300微米之間的一間隙。
- 如請求項11之結構，其中該子基板已自一子基板晶圓單粒化，其中該單粒化將該第二金屬部分與該晶圓之其他部分電隔離。
- 如請求項11之結構，其中該第一半導體層係已經受該EC蝕刻之一N型層。
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